Но даже для фотонной ракеты подобный перелет связан с колоссальной затратой «рабочего вещества». Так, для полета продолжительностью 30–40 лет в фотонном двигателе придется «сжечь» в световую энергию примерно 10 миллиардов тонн вещества! Выделившейся при этом энергии хватило бы для расплавления оболочки земного шара на глубину в сотни километров. Не удивительно, что иногда предлагают, чтобы фотонный звездолет, отправляясь в свой далекий путь, захватывал с собой в качестве «топлива» какой-нибудь астероид.
Но так ли уж обязательно захватывать с собой все запасы фотонного «топлива»? Неужели нельзя заправляться в полете? Отвечая на этот вопрос, мы вплотную подходим к вопросу «внешних ресурсов».
К вопросу о внешних ресурсах
К «внешним», то есть не запасаемым на борту летательного аппарата, ресурсам можно отнести электростатическое и магнитное поля Земли, различные виды энергии атмосферы (механическую, тепловую, химическую), энергию солнечного излучения, а также термоядерную энергию, сосредоточенную в космическом водороде.
Всю эту энергию вполне возможно извлечь, преобразовать и использовать для перемещения космических аппаратов.
Ближайшим к нам «внешним ресурсом», который может быть использован как источник дешевой (практически дармовой) энергии, является атмосфера.
И по сегодняшний день конструкторы космической техники воспринимают атмосферу как личного врага, накладывающего своим аэродинамическим сопротивлением известные ограничения. И в то же время путь, который позволит сделать из врага союзника, хорошо известен. Это — замена первой стартовой ступени на аэростатическую или авиационную систему.
Собственно, обсуждению преимуществ таких систем перед традиционными и посвящена настоящая книга, и в предыдущих главах я уже показывал, сколько выгод дает их применение, однако развитие космических технологий идет пока в другом направлении, и способы использования внешнего ресурса атмосферы должны опираться на существующий задел.
Например, предлагается устанавливать на первых ступенях ракет-носителей воздушно-реактивные двигатели — турбореактивные и прямоточные. Наиболее пригодны для подобного использования прямоточные двигатели с так называемым сверхзвуковым сгоранием (в этих двигателях топливо сгорает в воздушном потоке, движущемся со сверхзвуковой скоростью, что позволяет резко уменьшить размеры и вес двигателя по сравнению с обычными прямоточными двигателями, внутри которых воздушный поток до сгорания затормаживается до дозвуковой скорости) и различные гиперзвуковые прямоточные двигатели. Помимо выигрыша в величине удельного импульса, применение совершенных прямоточных двигателей может привести также к значительному уменьшению веса ракеты. Особенно выгодно применение прямоточных двигателей на возвращаемых с целью повторного использования ступенях ракетыносителя.
По одному из подобных проектов в США предполагалось создать ступень тяжелой космической ракеты «Арктур», снабженную турбопрямоточными двигателями и весящую около 550 тонн. Эта ступень должна разгонять ракету общим весом около 1650 тонн до скорости 1200 м/с. По расчетам, ракета сможет обеспечить плавную посадку на Луну груза весом до 27 тонн.
Разрабатываются проекты установки на подобных ступенях и ракетно-прямоточных двигателей, в которых обогащенные горючим продукты сгорания ракетного двигателя будут вытекать в прямоточный двигатель, где произойдет дожигание газов с использованием атмосферного кислорода.
Для облегчения засасывания атмосферного воздуха в этот двигатель предполагается установить на ракете специальное устройство — эжектор, в котором используется подсасывающее действие высокоскоростной реактивной струи, вытекающей из ракетного двигателя. Подсасывание воздуха в реактивную струю может привести к увеличению удельного импульса даже при отсутствии сгорания за ракетным двигателем и только за счет увеличения тяги из-за роста массы газов в реактивной струе.
Использование атмосферного кислорода представляется некоторым авторам и иначе. По их мнению, с помощью специального летательного аппарата с воздушно-реактивными двигателями, совершающего длительные полеты у границ плотной атмосферы (то есть на высотах порядка 80-110 километров), можно осуществить конденсацию и накопление кислорода из атмосферы. Эта возможность связана с тем, что, как показывает расчет, мощность двигателей на таких высотах оказывается достаточной и для преодоления лобового сопротивления аппарата, и для осуществления процесса сжижения кислорода. Считается, что после накопления кислорода в количестве, равном весу летательного аппарата, может быть осуществлена дальнейшая фаза космического полета с помощью жидкостного ракетного двигателя, работающего на жидком водороде. Может быть организована и передача жидкого кислорода другим космическим ракетам путем заправки в полете.
Еще более радикальным является другое предложение об использовании ресурса верхних слоев земной атмосферы как практически неисчерпаемой кладовой активных химических веществ, которые могут служить превосходным ракетным топливом. Эти вещества образуются в результате взаимодействия атмосферы с коротковолновым излучением Солнца, являясь продуктами фотохимических реакций, идущих под действием этого излучения. Как было подтверждено с помощью ракетных исследований ионосферы, на высотах более 80-100 километров молекулы кислорода, а затем и азота, распадаются на составляющие их атомы. Такой распад, требующий затраты значительных количеств тепла, идет под действием жесткого коротковолнового излучения Солнца.
Образующиеся таким образом за счет аккумулирования солнечной энергии атомарные газы, кислород и азот, весьма активны химически и стремятся снова к слиянию в молекулы с выделением затраченной на диссоциацию энергии. Произведенные расчеты показывают, что количество запасенной таким образом в атмосфере химической энергии превосходит энергию всех известных запасов химического топлива на Земле.
В 1956 году в США были предприняты первые попытки экспериментального доказательства возможности ускорения процесса рекомбинации атомарных газов атмосферы. Для этого с геофизической ракеты «Аэроби», запущенной в ионосферу, на высоте около 90 километров было выброшено примерно 9 килограммов вещества, являющегося катализатором, ускоряющим реакцию рекомбинации атомарного кислорода. Немедленно вслед за этим в ночном небе образовалось быстрорастущее и яркое зеленовато-белое облако — начался бурный процесс рекомбинации.
Неудивительно возникновение мысли о возможности осуществления подобного каталитического процесса рекомбинации внутри двигателя ракеты, с тем чтобы использовать выделяющуюся при этом энергию для создания движущей реактивной струи. Подобные предложения неоднократно высказывались как у нас в стране, так и за рубежом. Такие гипотетические двигатели называются «хемосферными» (поскольку зону ионосферы с максимальной интенсивностью процесса диссоциации газов называют хемосферой), или «ионосферными».
Принципиальное устройство ионосферного двигателя весьма просто. Он напоминает собой обычный сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель — спереди через воздухозаборное отверстие в двигатель поступает атмосферный воздух с высокой концентрацией атомарных газов, сзади через сопло вытекает раскаленная струя рекомбинировавших молекул кислорода и азота. Место камеры сгорания этого двигателя, работающего без какого бы то ни было топлива, занимает рабочая камера рекомбинации, в которой помещен катализатор. В печати указывается, что одним из наилучших возможных катализаторов является золото — тонким слоем оно может покрывать стенки камеры и перегораживающую ее решетку. Впрочем, катализатор может оказаться и вовсе не нужным, так как в результате сжатия набегающего потока во входном воздухозаборнике двигателя температура и давление в нем повысятся настолько, что рекомбинация пойдет сама по себе.
Однако, несмотря на внешнюю заманчивость этой идеи «бесплатного» энергопитания силовой установки летательного аппарата, практическая ее реализация весьма сомнительна.
Действительно, при полете с очень большими, например орбитальными, скоростями такой двигатель будет обладать чрезмерно большим лобовым сопротивлением, в несколько раз превосходящим развиваемую им полезную тягу. Чтобы тяга превосходила сопротивление, скорость полета должна быть относительно небольшой, примерно в 2–4 раза больше скорости звука, но тогда возникают трудности, связанные с созданием необходимой подъемной силы, то есть удержанием летательного аппарата на данной высоте.
Другой внешний ресурс атмосферы — это электрический заряд. Известно, что в самых верхних слоях частицы воздуха ионизованы, они уже не нейтральны, как у Земли. Это наводит на мысль о том, что при полете в ионосфере можно использовать ионизованные частицы в качестве рабочего вещества электроракетных двигателей. Точнее говоря, это будут уже не электроракетные, а своеобразные электропрямоточные или ионно-прямоточные двигатели. В них будут засасываться из ионосферы заряженные частицы, точно так же как в тяговую камеру ионного ракетного двигателя поступают ионы цезия из ионного источника. Затем эти частицы будут обычным для ионных двигателей способом ускоряться и вытекать позади, создавая реактивную тягу.
